近期，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)院固體所納米材料與器件技術(shù)研究部熱控功能材料科研團(tuán)隊(duì)，在鎢基超高溫陶瓷領(lǐng)域取得新進(jìn)展，成功制備了具有優(yōu)異機(jī)械性能和抗燒蝕性能的碳化鎢、硼化鎢陶瓷。相關(guān)成果發(fā)表在國(guó)際期刊Ceramics International和Journal of the European Ceramic Society上。
超高溫陶瓷（UHTCs）因其極高的熔點(diǎn)、優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械性能，在航空航天、核能、機(jī)械加工等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。鎢基超高溫陶瓷，包括碳化鎢（WC）和硼化鎢（WB2）等，具有卓越的力學(xué)性能和熱物理性能，在極端熱-力耦合環(huán)境中發(fā)揮了重要的作用。但由于飛行器在大氣層再入過程中，不僅面臨極端高溫環(huán)境，還會(huì)暴露在強(qiáng)電離輻射下，導(dǎo)致電子設(shè)備面臨損壞的風(fēng)險(xiǎn)。鎢基超高溫陶瓷憑借其優(yōu)異的高溫強(qiáng)度和抗輻照性能，被認(rèn)為可能是用作極端環(huán)境下高溫?zé)岱雷o(hù)部件的理想材料。然而，相比于其他超高溫陶瓷，鎢基陶瓷的致密化較為困難，燒結(jié)過程中晶粒易于長(zhǎng)大，并且其在抗氧化燒蝕方面的短板也限制了其在隔防熱領(lǐng)域的應(yīng)用。
為此，固體所研究人員基于研究團(tuán)隊(duì)前期發(fā)展的液相前驅(qū)體法合成了高純度的 WC-xTaC 和WB2陶瓷粉體。通過在 WC 中原位引入 TaC 晶粒抑制劑沉積在WC晶界處，阻礙晶粒的遷移和生長(zhǎng)，有效的抑制了 WC晶粒的長(zhǎng)大，顯著提高了無粘結(jié)劑WC陶瓷的致密度和硬度（致密度為 97.8%，硬度為 24 GPa）。此外，通過在 WB2中引入SiC作為燒結(jié)助劑，制備了致密度為 98.2% 的 WB2-SiC（WS20）復(fù)合材料，硬度為 26.9 GPa。
為了進(jìn)一步提升硼化鎢基陶瓷的抗氧化燒蝕性能，研究人員提出采用 La2O3穩(wěn)定 WS20 復(fù)材。La2O3的加入顯著提高了 WS20 復(fù)合材料的斷裂韌性和抗燒蝕性能。在 2273 K 等離子火焰燒蝕 60 s 的條件下，WB2-SiC-La2O3（WS20L5）復(fù)合材料的質(zhì)量燒蝕率和線燒蝕率分別為 0.463 mg/s 和 0.311 μm/s，與多數(shù)已報(bào)道的鋯、鉿基等超高溫陶瓷的抗燒蝕性能相當(dāng)。微結(jié)構(gòu)分析表明，這種性能的提升主要?dú)w因于 La2O3與 SiO2在高溫下反應(yīng)生成的 La2Si2O7對(duì) B2O3具有釘扎作用，能夠有效抑制 B2O3的揮發(fā)；且高溫下 La2O3固溶在 B2O3和 SiO2玻璃相中形成的高粘度 B-Si-O-La 保護(hù)層在填充了孔隙的同時(shí)還能夠阻隔氧氣的侵入。
這些研究不僅為鎢基超高溫陶瓷的性能優(yōu)化提供了新的思路和方法，也為其實(shí)現(xiàn)更廣泛的實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。通過摻雜和復(fù)合技術(shù)，鎢基超高溫陶瓷有望在極端環(huán)境下展現(xiàn)出更加優(yōu)異的性能，為未來高端技術(shù)的發(fā)展提供有力支持。
以上工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、安徽省科技重大專項(xiàng)、合肥物質(zhì)院院長(zhǎng)基金等項(xiàng)目的支持。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2024.12.428
https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2025.117298
圖1.不同TaC摻雜含量對(duì)WC物相及微觀形貌的影響(a)XRD圖譜，(b-f) SEM 圖像，(g) 不同TaC摻雜量的WC陶瓷塊體的光學(xué)圖像，(h) 熱壓燒結(jié)后陶瓷塊體的XRD圖譜。
圖2. (a) WB2粉體的制備流程圖；(b-c) WS20 和 WS20L5 的硬度與斷裂韌性；(d) WS20和WS20L5在燒蝕試驗(yàn)過程中的表面溫度曲線；(e) WS20 和 WS20L5 的質(zhì)量燒蝕率和線消融率；(f) WS20和WS20L5的抗燒蝕性能與其他 UHTCs 的對(duì)照。
圖3. WS20和WS20L5陶瓷的燒蝕機(jī)理圖。
